Small Methods:如何选择与合成高性能钠离子电池正极材料

smtd201700098-gra-0001-m近几十年来,锂离子电池已经广泛应用于便携式电子产品、可移植医疗器具、电动汽车乃至于航天工业等领域,成为当前新能源领域关注的热点以及商业化开发的重点。然而,传统的锂资源比较匮乏,地域分布不均衡,且价格不断上涨,将成为限制锂电池良性可持续发展的瓶颈之一,很大程度上会限制其在大规模储能中的应用。因此,寻找一个更为廉价的、能够替代锂的新材料来制作电池,一直为人们所期待。相比之下,钠资源分布广泛,且成本低廉,因此钠离子电池是未来二次电池的发展方向。与锂离子电池一样,钠离子电池主要包括正、负极,电解质和隔膜四部分。其中,正极材料在整个电池中的作用十分重要,因为它在很大程度上决定了电池的容量、能力密度、成本与工作电压等参数指标。经过近年来的系统研究,钠离子电池正极材料研究已经取得了丰硕的成果,然而如何获得更高能量密度仍是亟待解决的问题。因此,如何选择并合成用于钠离子电池的高性能正极材料是当前钠离子电池研究的重点。

通过对近几年相关开创性工作的分析,新加坡南洋理工大学的颜清宇教授及其团队系统地总结了当前钠离子电池正极材料的最新进展,重点讨论了三大类正极材料的结构与成分调控与电化学性能的关系,包括(1)单离子型无机化合物(过渡金属氧化物氟化物),(2)多离子型无机化合物(主要为金属磷酸盐)以及(3)有机正极材料;与此同时,文章也概述了不同类型电极材料的合成方法。通过实例阐述了材料结构、组成、尺寸形貌、表面和界面等部分在提升正极材料电化学性能方面的作用,介绍了不同电池材料的储钠机制,总结了实现正极材料高性能的基本策略与实施方法。文章对比了不同类型钠离子电池正极材料的容量、能量密度、工作电压,指出了不同电极材料当前仍然存在的问题以及潜在的解决措施。文章最后展望了今后钠离子电池的机遇挑战与研究趋势,比如借助原位的透射电镜以及核磁共振技术深入研究钠离子正极材料的作用机理,结合理论计算模拟,推动钠离子正极材料的理性设计与优化。相关文章发表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201700098)上。

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